CN117249912B - 大口径光学元件的检测方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种大口径光学元件的检测方法及***，该方法包括步骤：S1，在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径和一个中心区域孔径，中心区域孔径与边缘区域孔径存在重叠区域，每个边缘区域孔径和中心区域孔径都包含一定数量的子孔径；S2，测量得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前，并计算斜率分布；S3，将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前。本发明以一种新的拼接方式实现大口径光学元件检测，可以检测口径大于1.5m的光学元件，检测重复性精度小于λ/30。

Description

大口径光学元件的检测方法及***

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种大口径光学元件的检测方法及***。

背景技术

目前检测大口径光学***元件的常用方法一般是使用大型平面干涉仪，这要求有一块与被检测光学元件尺寸相同或更大的标准平面镜。大口径标准平面镜的制造难度大，且制造周期长，成本昂贵，而且自身的检测也非常困难，这是大型望远镜***室内检测的难点。

子孔径拼接干涉测试技术是一种以低成本高分辨率检测大口径光学元件的有效手段。子孔径拼接干涉测试技术是利用哈特曼或小口径干涉仪，分别多次检测大口径光学镜面的各个部位(即子孔径)，使这些子孔径几乎完全覆盖整个被测镜面，然后利用拼接算法将这些子孔径的参考面拼接到同一个参考面上来，从而恢复出全口径波面的完整面形。目前常用的子孔径拼接算法有K-T算法、S-F算法、重叠法等。本发明提供一种新的子孔径拼接方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大口径光学元件的检测方法及***，基于新的子孔径拼接算法进行拼接检测。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种大口径光学元件的检测方法，包括以下步骤：

S1，在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径和一个中心区域孔径，中心区域孔径与边缘区域孔径存在重叠区域，每个边缘区域孔径和中心区域孔径都包含一定数量的子孔径；

S2，布置第一平面镜和第二平面镜，第一平面镜扫描中心区域孔径，且第一平面镜所在平面为参考面，第二平面镜旋转扫描边缘区域孔径，测量得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前，并计算斜率分布；

S3，将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前。

所述步骤S2中，得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的斜率分布，包括：

步骤S21，设第k个边缘区域孔径的实测波前为，拼接到参考平面后的波前为/>，则有/> （2），其中/>、/>分别为第k个边缘区域孔径上实测的x、y方向斜率，/>、/>分别为拼接到参考面后的x、y方向斜率，/>、/>分别为沿x、y方向的倾斜误差，k为大于1的整数；

步骤S22，在中心区域孔径与边缘区域孔径的重叠区域内选择第个子孔径，设第个子孔径在中心区域孔径上的x、y方向斜率分别为/>、/>，在边缘区域孔径上的x、y方向斜率分别为/>、/>，由公式（2）有：/> （3），、/>与/>、/>均由测量所得，i为大于1的整数；

步骤S23，将由公式（3）得到的、/>代回公式（2）即可求出第k个边缘区域孔径拼接到参考面后的x、y方向斜率/>与/>；

按照第k个边缘区域孔径的相同处理步骤，求得全孔径上所有的子孔径的斜率。

所述步骤S22中，在重叠区域内选取N个子孔径，N为大于1的整数，由如下公式（4）计算得到第k个边缘区域分别为沿x、y方向的倾斜误差、/>，

（4）

所述步骤S23中则是将由公式（4）得到的、/>代回公式（2）。

上述方案中，通过选择多个子孔径并计算平均值，可以使得倾斜误差的计算值更准确。

所述步骤S3包括：

设、/>分别为波前/>在第/>个子孔径处x、y方向上的波前斜率，将波前/>用多项式表示有：

（5）

其中，为多项式系数，则第/>个子孔径分别在x、y方向上的平均斜率可表示为：，/>，其中，/> ，；

用矩阵表示为：

可简写为：，则有：/>；

、/>为已知量，由拼接可得，m为多项式的项数，/>为第K项Zernike多项式，/>为第i个子孔径的区域面积，/>为第i个子孔径在x方向的平均斜率系数，/>为第i个子孔径在y方向的平均斜率系数，则通过上式解出多项式系数/>，再代回公式（5）即可求出全孔径上的波前。

另一方面，本发明还提供了一种大口径光学元件的检测***，包括被测光学元件、第一平面镜、第二平面镜、旋转台、干涉仪、次镜***和计算机处理***，旋转台带动第二平面镜旋转扫描，干涉仪用于测量子孔径波前，计算机处理***执行以下操作：在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径，每个边缘区域孔径都包含一定数量的子孔径；以测量得到的各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前计算斜率分布，并将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前。

与现有技术相比，本发明以一种新的斜率拼接方式实现大口径光学元件检测，可以检测口径大于1.5m的光学元件，检测重复性精度小于λ/30，λ=632.8nm。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例中提供的大口径光学元件的检测方法的流程图。

图2为实施例中区域孔径排布示意图。

图3为实施例中重叠区域内子孔径的选择示意图。

图4为实施例中提供的检测***中各器件的布置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图4，本实施例中提供的大口径光学元件的检测***，包括被测光学元件12、平面镜M1（即第一平面镜）、平面镜M2（即第二平面镜17）、旋转台（图中未标示）、干涉仪15、次镜***16和计算机处理***，被测光学元件通过支撑台18支撑，干涉仪15、次镜***16分别安装在一个五维调节台20上，以调整其安装位置，所有部件安装于隔振地基19上，降低振动导致的测量误差。旋转台带动第二平面镜17旋转扫描，干涉仪15用于测量子孔径波前，计算机处理***则根据测量到的数据进行拼接处理，得到被测光学元件的全孔径上的波前。

利用安装在旋转轴上的两个小口径（此处的小口径不是绝对概念，而是相对于被测光学元件的大口径而言的）平面镜（M1和M2）进行二维扫描，中心平面镜M1不动，另一平面镜M2可作旋转扫描。在被测光学元件的镜面上设定多个采样点（即子孔径13），并将全孔径划分成多个小面积（此处的小面积不是绝对概念，而是相对于被测光学元件的而言的）的孔径组合（称为区域孔径），使每个区域孔径都包含一定数量的子孔径13，如图2所示。设平面镜M1所在的平面为参考平面，平面镜M1测量的中心区域孔径14与平面镜M2测量的边缘区域孔径11间有一定的重叠面积。测量过程中使旋转台带动平面镜M2旋转扫描，按照预先设定的孔径排布分别测量被测光学元件的镜面的各个区域孔径，得到各个区域孔径包含的子孔径的斜率分布。

图2中展示边缘区孔径的数量为6个，但是实际上边缘区域孔径的数量与被测光学元件的镜面口径、平面镜M2的口径尺寸相关，区域孔径和子孔径的大小、数量和排布方式由被测镜面尺寸和测量精度决定，图2仅是一个示意。

理论上，当测量中平面镜M2与平面镜M1始终同位于参考面上时，两次测量到的重叠区域内的斜率分布应该是一致的。但由于实际测量中平面镜的安装以及旋转轴的运动等误差因素的存在，必然会导致平面镜M2出现倾斜或平移，重叠面积内的斜率分布将不再相等。利用重叠面积内两组斜率的差值可计算出区域孔径平面间的倾斜和平移误差，消除这些误差后可将边缘区域孔径的斜率拼接到参考平面上。用同样的方法可以把所有的区域孔径拼接到同一平面上，得到全孔径上的斜率分布，进而重构出全孔径上的波前。

请参阅图1，本实施例中提供的大口径光学元件的检测方法包括以下步骤：

S1，在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径和一个中心区域孔径，中心区域孔径与边缘区域孔径存在重叠区域，每个边缘区域孔径和中心区域孔径都包含一定数量的子孔径。

如图2所示，中心区域孔径位于被测光学元件镜面的中心位置，边缘区域孔径沿镜面圆周分布，边缘区域孔径与中心区域孔径有重叠区域，相邻边缘区域孔径之间也有重叠区域。

S2，平面镜M1扫描中心区域孔径，且以平面镜M1所在平面为参考面，平面镜M2旋转扫描边缘区域孔径，测量得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前，并计算斜率分布。

本实施例中，具体的，设第k（，/>为边缘区域孔径的总数）个边缘区域孔径的实测波前为/>，拼接到参考平面后的波前为/>，故有：

（1）

其中，为平面镜M2偏离参考平面造成的波前误差量，/>、/>分别为沿x、y方向的倾斜误差，/>为沿旋转轴Z方向的平移误差。为了简化计算，设中心区域孔径位于参考面上，故倾斜误差与平移误差均为0。将公式（1）分别对x、y求偏导，有

简化为 （2）

其中、/>分别为第k个边缘区域孔径上实测的x、y方向斜率，/>、/>分别为拼接到参考面后的x、y方向斜率。从公式（2）中可发现，当测量对象是斜率时，将不受沿旋转轴Z方向平移误差/>的影响，所以只需考虑边缘区域孔径在x、y方向的倾斜误差/>、/>。

在中心区域孔径与边缘区域孔径的重叠区域内选择子孔径（/>，为重叠区域内子孔径的总数），设该子孔径在中心区域孔径上的x、y方向斜率分别为、/>，在边缘区域孔径上的x、y方向斜率分别为/>、/>，如图3所示。

由公式（2）有：

（3）

、/>与/>、/>均为可测得量，故理论上由重叠区域上一点就可求出边缘区域孔径在x、y方向的倾斜误差/>、/>。但为了保证拼接的精确度，优选选取多个子孔径进行计算。

例如，在重叠区域内选取N个子孔径，N≤M，由公式（3）可得：

（4）

将、/>代回公式（2）即可求出边缘区域孔径拼接到参考面后的x、y方向斜率与/>。

依此类推，可求得全孔径上所有子孔径的斜率。

S3，将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前。

本实施例中，具体的，设、/>分别为求得的波前/>在第/>个子孔径处x、y方向上的波前斜率。将波前用Zernike多项式表示有：

（5）

其中，为Zernike系数，则第/>个子孔径分别在x、y方向上的平均斜率可表示为：

（6）

其中， ，/>。/>为第K项Zernike多项式，/>为第i个子孔径的区域面积，/>为第i个子孔径在x方向的平均斜率系数，/>为第i个子孔径在y方向的平均斜率系数。

用矩阵表示为：

可简写为：，则有：/>。

、/>为已知量，子孔径波前斜率由拼接可得，则通过上式解出Zernike系数/>，代回公式（5）即可求出全孔径上的波前。

本实施例提供的是一种新的斜率拼接方式，基于本发明检测方法可以实现对直径甚至大于1.5m的光学元件进行检测，且检测重复性精度小于λ/30，λ=632.8nm。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大口径光学元件的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径和一个中心区域孔径，中心区域孔径与边缘区域孔径存在重叠区域，每个边缘区域孔径和中心区域孔径都包含一定数量的子孔径；

S2，布置第一平面镜和第二平面镜，第一平面镜扫描中心区域孔径，且第一平面镜所在平面为参考面，第二平面镜旋转扫描边缘区域孔径，测量得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前，并计算斜率分布；

S3，将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前；

所述步骤S2中，得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的斜率分布，包括：

步骤S21，设第k个边缘区域孔径的实测波前为，拼接到参考平面后的波前为，则有 /> （2），其中/>、/>分别为第k个边缘区域孔径上实测的x、y方向斜率，/>、/>分别为拼接到参考面后的x、y方向斜率，/>、/>分别为沿x、y方向的倾斜误差，k为大于1的整数；

步骤S22，在中心区域孔径与边缘区域孔径的重叠区域内选择第个子孔径，设第/>个子孔径在中心区域孔径上的x、y方向斜率分别为/>、/>，在边缘区域孔径上的x、y方向斜率分别为/>、/>，由公式（2）有：/> （3），/>、与/>、/>均由测量所得，i为大于1的整数；

步骤S23，将由公式（3）得到的、/>代回公式（2）即可求出第k个边缘区域孔径拼接到参考面后的x、y方向斜率/>与/>；

按照第k个边缘区域孔径的相同处理步骤，求得全孔径上所有的子孔径的斜率。

2.根据权利要求1所述的大口径光学元件的检测方法，其特征在于，所述步骤S22中，在重叠区域内选取N个子孔径，N为大于1的整数，由如下公式（4）计算得到第k个边缘区域分别为沿x、y方向的倾斜误差、/>，

（4）

所述步骤S23中则是将由公式（4）得到的、/>代回公式（2）。

3.根据权利要求2所述的大口径光学元件的检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

设、/>分别为波前/>在第/>个子孔径处x、y方向上的波前斜率，将波前用多项式表示有：

（5）

其中，为多项式系数，则第/>个子孔径分别在x、y方向上的平均斜率可表示为： ，/>，其中， /> ，；

用矩阵表示为：

简写为：，则有：/>；

、/>为已知量，由拼接可得，m为多项式的项数，/>为第K项Zernike多项式，/>为第i个子孔径的区域面积，/>为第i个子孔径在x方向的平均斜率系数，为第i个子孔径在y方向的平均斜率系数，则通过上式解出多项式系数/>，再代回公式（5）即可求出全孔径上的波前。

4.一种大口径光学元件的检测***，其特征在于，包括被测光学元件、第一平面镜、第二平面镜、旋转台、干涉仪、次镜***和计算机处理***，旋转台带动第二平面镜旋转扫描，干涉仪用于测量子孔径波前，计算机处理***执行以下操作：

在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径，每个边缘区域孔径都包含一定数量的子孔径；

以测量得到的各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前计算斜率分布，并将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前；

设第k个边缘区域孔径的实测波前为，拼接到参考平面后的波前为/>，则有 /> （2），其中/>、/>分别为第k个边缘区域孔径上实测的x、y方向斜率，/>、/>分别为拼接到参考面后的x、y方向斜率，/>、/>分别为沿x、y方向的倾斜误差；

在中心区域孔径与边缘区域孔径的重叠区域面积内选择第个子孔径，设第/>个子孔径在中心区域孔径上的x、y方向斜率分别为/>、/>，在边缘区域孔径上的x、y方向斜率分别为/>、/>，由公式（2）有：/> （3），/>、/>与/>、/>均由测量所得；

将由公式（3）得到的、/>代回公式（2）即可求出第k个边缘区域孔径拼接到参考面后的x、y方向斜率/>与/>；

按照第k个边缘区域孔径的相同处理步骤，求得全孔径上所有的子孔径的斜率。

5.根据权利要求4所述的大口径光学元件的检测***，其特征在于，在重叠区域内选取N个子孔径，由如下公式（4）计算得到第k个边缘区域分别为沿x、y方向的倾斜误差、/>， （4）。

6.根据权利要求5所述的大口径光学元件的检测***，其特征在于，设、/>分别为波前/>在第/>个子孔径处x、y方向上的波前斜率，将波前/>用多项式表示有：

（5）

其中，为多项式系数，则第/>个子孔径分别在x、y方向上的平均斜率可表示为： ，/>，其中， /> ，；

用矩阵表示为：

可简写为：，则有：/>；

、/>为已知量，由拼接可得，m为多项式的项数，/>为第K项Zernike多项式，/>为第i个子孔径的区域面积，/>为第i个子孔径在x方向的平均斜率系数，为第i个子孔径在y方向的平均斜率系数，则通过上式解出多项式系数/>，再代回公式（5）即可求出全孔径上的波前。